I TLVR superano i limiti dei dispositivi multifase adoperando gli induttori di potenza a doppia bobina

Il mondo è pieno di processori a semiconduttori per sistemi ad alte prestazioni in grado di elaborare intelligenza artificiale, big data e applicazioni IoT. La continua miniaturizzazione dei transistor dei processori e la riduzione delle tensioni di alimentazione pone i progettisti dei prodotti davanti a difficoltà di configurazione circuitale, che possono tuttavia essere superate mediante un regolatore di tensione a trans-induttore (TLVR).

I produttori di semiconduttori hanno un'incredibile esperienza nell'integrazione di ulteriori progressi nei loro processori CPU, GPU e FPGA. Le tensioni di alimentazione diminuiscono, al contempo il consumo di corrente e l'utilizzo di energia complessivo aumentano, tuttavia gli alimentatori a bassa tensione hanno una tolleranza estremamente ridotta alle fluttuazioni di tensione. Secondo il produttore di componenti elettronici TDK, se è necessario che una tensione core sia fornita con una precisione di ±3%, una tensione di 1 V richiede un controllo rigoroso entro ±30 mV.

Sebbene i regolatori di tensione multifase con regolazione di servizio multifase possano gestire improvvisi carichi ad alta corrente, essi devono anche funzionare ad alte frequenze per passare da una fase all'altra con tempi di risposta ridotti. A causa dell'esigenza da parte dei data center di superare i limiti delle configurazioni dei regolatori di tensione multifase, i progettisti degli alimentatori di server si sono trovati ad affrontare le difficoltà che comporta la creazione di circuiti che possano funzionare a tali frequenze più elevate.

Le configurazioni circuitali di TLVR multifase, descritte per la prima volta nel 2019, sono state rapidamente adottate per gestire la fluttuazione del carico ad alta velocità in applicazioni a bassa tensione e alta corrente. Il TLVR fornisce prestazioni ad alta risposta riducendo al contempo al minimo le perdite di potenza. Il TLVR riduce inoltre i costi e l'ingombro del sistema riducendo il valore dei condensatori di uscita.

Fornire corrente contemporaneamente per più induttori

In un circuito TLVR, ciascun interruttore di fase è collegato a un induttore con un avvolgimento secondario aggiuntivo e ciascuno di questi è collegato in un anello in serie con un induttore di compensazione. Al fine di far fronte ai picchi nella richiesta di corrente, il circuito può fornire corrente simultaneamente da tutti gli induttori senza abbassare significativamente la tensione di alimentazione.

La serie VLBUC di induttori di potenza a doppia bobina di TDK è progettata per l'uso con TLVR allo scopo di migliorare la risposta di carico dei regolatori di tensione e rispettare la conformità con le specifiche dei regolatori di tensione della generazione di server VR14, al fine di funzionare in modo affidabile con richieste di corrente variabili.

VLBUC12060120R15LF3 dell'azienda (Figura 1) rappresenta uno di una serie di induttori di potenza con bobina di ferrite a doppio filo avvolto in grado di gestire correnti elevate. Con una struttura dell'elettrodo brevettata, un materiale magnetico unico, un'elevata densità di flusso magnetico di saturazione e l'ottimizzazione per la commutazione ad alta frequenza, comporta basse perdite. L'induttore assicura una tensione di tenuta di 100 V c.c. tra le due bobine.

Figura 1: Rappresentazione dell'induttore di potenza a doppia bobina per TVLR VLBUC12060120R10LF3 di TDK. Per le specifiche esatte, consultare la scheda tecnica del prodotto. (Immagine per gentile concessione di TDK)

La serie VLBUC12060120, da 12 x 6 mm con altezza di 12 mm, è disponibile in versioni con intervalli di induttanza della bobina primaria di 70~200 nH e correnti di saturazione di 58~155 A. L'intervallo della temperatura di funzionamento va da -40 a +125 °C.

TDK ha adoperato un simulatore di circuito per confrontare la modifica nella tensione di uscita durante improvvise variazioni di carico tra un VR multifase a 8 fasi e un TLVR. La fluttuazione della tensione di carico nel VR multifase è risultata di ±0,3 V rispetto a 1,8 V, presupponendo una frequenza di commutazione di 800 kHz per una conversione da 12 a 1,8 V e utilizzando un valore del condensatore di livellamento di uscita di 1850 μF per una variazione di carico di 240 A → 360 A → 240 A. In confronto, la fluttuazione di uscita nel TLVR è risultata inferiore a ±0,1 V, con una significativa riduzione del tempo richiesto per la stabilizzazione della tensione. Inoltre, il valore del condensatore di livellamento di uscita potrebbe ridursi a circa 230 μF o circa un ottavo del suo valore originario.

Conclusione

Le richieste da parte dei data center e servizi cloud di una gestione efficiente del consumo energetico dei server superano le capacità di risposta al carico dei tradizionali regolatori di tensione multifase. L'impiego degli induttori di potenza a doppia bobina serie VLBUC di TDK nei circuiti TLVR può aiutare i progettisti di prodotti a superare le difficoltà di frequenza più elevata dei processori sempre più densi, garantendo che la gestione dell'alimentazione del server possa raggiungere l'affidabilità necessaria per elaborare le odierne intense applicazioni basate sui dati.